Nuova lega di zinco ipereutettica

La lega di zinco ZEP1510 è estremamente interessante in quanto colabile e formabile per deformazione plastica e, considerando i corretti parametri di taglio, anche lavorabile alle macchine utensili.

Negli ultimi anni le leghe di zinco sono state studiate con la prospettiva di ampliare il loro uso in diversi campi. Un tema di ricerca è stato sicuramente la possibilità di alleggerire i
pezzi colati tramite l’utilizzo di inserti in schiuma o con processi in grado di formare getti caratterizzati da una pelle “massiva” e un cuore poroso, capaci quindi di garantire un’ottima qualità estetica superficiale e un peso complessivo molto ridotto. Un altro filone di sviluppo si è focalizzato sulla possibilità di colare parti con spessori estremamente sottili, nell’ottica di realizzare componenti di dimensioni ridotte, soprattutto in ambito elettronico. A questo scopo sono state considerate sia leghe note sia innovative ad elevata fluidità. Nell’ambito delle nuove leghe, inoltre, da diversi anni si stanno studiando nuove composizioni ipereutettiche (% Al superiore al 6%) che appaiono promettenti in quanto resistenti all’usura, con buone proprietà meccaniche ed inoltre caratterizzate dall’assenza di elementi nocivi, quali il piombo. Queste caratteristiche rendono questi materiali adatti a sostituire l’ottone in molti campi, tenendo anche conto del costo inferiore dello zinco rispetto al rame e delle minori temperature di lavorazione. Fra queste, la lega ZEP1510 (15% Al, 1% Cu, 0,2 Mg, resto Zn), è risultata essere estremante interessante in quando facilmente colabile, ma anche formabile per deformazione plastica e, considerando i corretti parametri di taglio, anche lavorabile alle macchine utensili. A oggi il materiale è infatti disponibile in billette o barre estruse di varie geometrie. Sono stati inoltre svolti e documentati diversi tentativi fruttuosi di stampaggio, di tornitura e fresatura così come della realizzazione di prototipi per raccorderia e attrezzature per la distribuzione di acqua potabile. Uno dei problemi di questo materiale riguarda però il suo utilizzo industriale in pressocolata in camera calda. Come le altre leghe ipereutettiche (ZA8, ZA12, ZA27…) ha un contenuto di alluminio in lega più elevato delle composizioni tradizionali (Zamak, Superloy…) che le conferisce ottime proprietà meccaniche, ma anche un punto di fusione più elevato e una maggiore affinità verso il ferro. Questo si traduce in una maggiore aggressività chimica nei confronti delle attrezzature impiegate in pressocolata, in particolare se si considera la camera calda, dove alcune parti, come sifone e pistone, sono immerse costantemente nel metallo liquido. Nei primi test sperimentali negli scorsi anni, in particolare, sono emersi alcuni problemi riguardo la perdita di tenuta e il grippaggio delle fasce elastiche del pistone che hanno portato, in prima battuta, ad accantonare l’utilizzo di questa lega in pressocolata, se non per la produzione di piccole serie di campioni.

In questo articolo sono presentati i risultati ottenuti in una recente campagna di prove, volta a valutare la processabilità della lega di zinco ZEP1510 in camera calda, nell’ottica di individuare le criticità del processo durante simulazioni di produzioni industriali. Dopo questa fase sarà inoltre possibile ipotizzare e testare nuove soluzioni progettuali (alcune di esse già applicate e in fase di test) per permettere di risolvere le problematiche riscontrate. Come punto di partenza per la determinazione dei parametri di processo e come riferimento per la qualità e le proprietà meccaniche dei pezzi prodotti è stata scelta la Zamak5, in quanto lega nota, facilmente colabile e possibile competitor della nuova composizione.

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Procedura sperimentale

Leghe utilizzate

La composizione delle leghe utilizzate, misurate con uno spettrometro Spectrolab M7/M8 è riportata in Tabella 1, assieme all’intervallo di solidificazione. Come mostrato nel diagramma di stato (Figura 1) la ZEP è una lega ipereutettica che, durante la solidificazione forma come fase primaria una fase ricca in alluminio circondata da un eutettico. Durante il successivo raffreddamento lento, descritto dal diagramma di stato, la fase primaria subisce la trasformazione eutettoidica e si decompone in lamelle alternate di fase α (ricca in Al) e fase η (ricca in Zn). Per quanto riguarda la Zamak, invece, la solidificazione inizia con la fase ricca in zinco e prosegue con la formazione di eutettico (lamelle alternate di fase ricca in Al e fase η). In raffreddamento la fase ricca in Al subisce la trasformazione eutettoidica.

Prove di colata

La prima campionatura è stata eseguita con una macchina Frech W20 e uno stampo a 12 impronte per la produzione di gettoni (Figura 2a), utilizzando i parametri di iniezione standard per la Zamak, eccetto per la temperatura del bagno, impostata a 510 °C. Successivamente, dopo l’ottimizzazione dei parametri di processo, la simulazione di produzione industriale è stata condotta con una macchina Frech W 80RC per la realizzazione di provini di trazione a sezione circolare e rettangolare (Figura 2b). Per la colata di ZEP e Zamak è stato utilizzato un pistone con diametro 55 mm, una velocità all’attacco di colata pari a 40 m/s ed una temperatura di preriscaldo dello stampo pari a 170 °C. La temperatura di colata è stata impostata a 425 °C in accordo con il know how aziendale per la Zamak, mentre per la ZEP, tramite test di fluidità, è stata individuata la temperatura di 530 °C per la quale la lega presenta una fluidità paragonabile a quella della Zamak a 425 °C. Durante i test è stato monitorato il funzionamento della macchina e analizzati i tracciati di corsa e pressione del pistone per individuare anomalie durante l’iniezione. Inoltre, al fine di valutare la stabilità della composizione del bagno per la ZEP sono stati eseguiti dei prelievi giornalieri così come alla fusione e alla rifusione dopo lo spegnimento dei forni per il fine settimana. L’elevato contenuto di alluminio di questa lega, infatti, potrebbe causare la separazione gravimetrica degli elementi nel bagno e, quindi, una deriva della composizione della lega nel tempo.

 

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Source: Stampi
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